DE3401594C2

DE3401594C2 - Meßwandler zum Messen eines Stromes

Info

Publication number: DE3401594C2
Application number: DE3401594A
Authority: DE
Inventors: Richard Dr.-Ing. 3300 Braunschweig Friedl
Original assignee: LGZ Landis and Gyr Zug AG
Current assignee: Siemens Building Technologies AG
Priority date: 1983-03-02
Filing date: 1984-01-18
Publication date: 1985-07-18
Also published as: GB2135830B; ES530178A0; SE8401120D0; SE8401120L; FR2542131B1; AT389186B; SE455354B; AU560901B2; US4794326A; JPS59159518A; GB2135830A; CH660538A5; DE3401594A1; FR2542131A1; AU2480384A; ES8501164A1; ATA53284A; GB8404391D0

Abstract

Ein in seiner Querrichtung gefalteter, den zu messenden Strom (I) führender Flachleiter (1) ist durch Löcher (4; 5) in zwei Hauptstrompfade (6; 7) und einen Querzweigstrompfad (8) unterteilt. Der im Querzweigstrompfad (8) fließende Teilstrom (I1) durchflutet einen Magnetkern (14). Die eine Hälfte der Hauptstrompfade (6; 7) liegt deckungsgleich und mit entgegengesetzter Flußrichtung über der anderen Hälfte. Der thermische Kontakt zwischen den Schenkeln (10; 11) des Flachleiters (1) und die induktionsarme Anordnung der Hauptstrompfade (6; 7) gewährleisten eine hohe Meßgenauigkeit.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Meßwandler zum Messen eines Stromes der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art. Ein solcher Meßwandler ist aus der US-PS 42 40 059 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Meßwandler der genannten Art zu schaffen, der sich durch eine höhere Meßgenauigkeit, eine geringere Temperaturabhängigkeit, eine geringere Streufelderzeugung und einen kleineren Phasenfehler auszeichnet Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch die im Kennzeichen des Palentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Es zeigt
Fig. 1 einen Flachlcitcr,
Fig.2 einen Meßwandler in auseinandergezogener

ίο perspektivischer Darstellung,

Fig.3 den Flachlciter gemäß der Fig. I nach dem Falten,

F i g. 4 bis 6 verschiedene Varianten eines Flachleiters und

is F i g. 7 und 8 verschiedene Varianten eines Meßwandlcrs, dessen Flachleiter ohne Biegevorgang aus einem Stück Metall ausgearbeitet ist

In den Fig. 1 bis 3 bedeutet 1 einen aus einem einzigen Blechstreifen bestehenden Flachleiter konstanter Dicke, der an seinen tängsseitigen Enden je einen Anschluß 2 bzw.3 aufweist. Der zu messende Strom /fließt über den Anschluß 2 durch den Flachleiter 1 und verläßt diesen über den Anschluß 3. Zwischen den Anschlüssen 2,3 des Flachleiters 1 sind zwei — in Längsrichtung des Flachleiters betrachtet — hintereinander liegende Löcher 4, 5 angeordnet, die den Flachleiter 1 in zwei Hauptstrompfade 6,7 und einen Querzweigstrompfad 8 unterteilen. Der Querzweigstrompfad 8 verbindet in der Art einer nicht abgeglichenen elektrischen Brückenschaltung zwei Stellen unterschiedlichen Potentials der Hauptstrompfade 6, 7 miteinander, so daß in ihm ein Teilstrom Λ des zu messenden Stromes /fließt, der unter der Annahme konstant bleibender Stromverteilung im Flachleiter 1 dem zu messenden Strom / proportional

J5 ist.

Die Längssymmetrielinie des Querzweigstrompfades 8 fällt mit einer Umkehrkante (Biegekante) 9 zusammen, die den Flachleiter 1 in zwei Schenke: 10, 11 unterteilt. Die beiden Schenkel 10, 11 sind vorteilhaft wenigstens annähernd gleich geformt. Sie unterscheiden sich allenfalls durch eine geringfügige Formabweichung voneinander, die zur Erzeugung eines Stromflusses im Querzweigstrompfad 8 erforderlich ist. Im dargestellten Beispiel ergibt sich der Teilstrom Λ im Querzweigstrompfad 8 durch eine seitliche Versetzung der Anschlüsse 2,

3. Der erforderliche Potentialunterschied zwischen den beiden Enden des Querzweigstrompfades 8 kann auch durch andere Maßnahmen erreicht b/.w. erhöht werden, beispielsweise durch Materialabiragung an einem Rand eines der Schenkel 10, 11, durch leichtes gegenseitiges seitliches Versetzen der Löcher 4,5 oder durch Anbringen eines weiteren, in der Fig. 1 gestrichelt gezeichneten Loches 49 beispielsweise im Schenkel 10. Im Beispiel der Fig. 1 und 2 sind die Schenkel 10 und 11, abgesehen von den seitlich versetzten Anschlüssen 2 und 3, spiegelsymmetrisch.

Gemäß den Fig. 2 und 3 wird der Flachleiter 1 in seiner Querrichtung an der Biegekante 9 gefaltet, d. h. um 180° umgeklappt, so daß er die Form eines U darstellt. Nach dem Falten liegt die dem Schenkel 10 zugehörige erste Hälfte des Hauptstrompfades 6 bzw. 7 dekkungsgleich über der dem Schenkel 11 zugehörigen zweiten Hälfte des gleichen Hauptstrompfades 6 bzw. 7. wobei die Stromflußrichtung übcreinanderliegendcr

h^r> Hauptstrompfadhälften entgegengesetzt ist. Die Löcher

4, 5 liegen nach dem Falten ebenfalls deckungsgleich übereinander, während die Anschlüsse 2, 3 seitlich versetzt sind. Die beiden Schenkel 10, 11 sind mittels einer

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ίί dünnen Isolationsschicht 12 (Fig.3) voneinander elek-Sf irisch isoliert und stehen miteinander in engem thermischem Kontakt Der eine Schenkel 13 eines geschlosse-Ri! nen Magnetkerns 14 (F i g. 2) durchdringt die Löcher 4, ■>i 5, während der andere Schenkel 15 des Magnetkerns 14 ~M den Magnetkreis außerhalb des Flachleiters 1 schließt
■v! Im dargestellten Beispiel arbeitet der beschriebene

]:2 Meßwandler als sogenannter aktiver Stromwandler. p Dazu ist eine auf dem Magnetkern 14 angeordnete De- p tektorwickJung 16 mit dem Eingang eines Verstärkers ;·-.: 17 verbunden, dessen Ausgang an eine aus einer Sekun-' därwicklung 18 und einer Bürde 19 bestehende Reihenschaltung angeschlossen ist

■ Der Flachleiter 1 stellt die. Primärwicklung des MeB-

:■-■ wandlers dar. Für die primäre Durchflutung ist der Teilstrom Λ maßgebend, der in dem den Magnetkern 14 ; durchsetzenden Querzweigstrompfad 8 fließt. Die

Kompensation der primären Durchflutung erfolgt in be- :' kannter Weise durch einen in der Sekundärwicklung 18 fließenden Strom i, der in einem Regelkreis ^vom Ver- - stärker 17 so gesteuert wird, daß die in der Detektor- : wicklung 16 induzierte Spannung gegen Null geilt.
;■- Durch die beschriebene Faltung des Flachleiters 1

: ergibt sich ein inniger Wärmekontakt zwischen den beiden Schenkeln 10,11, wodurch ein nahezu idealer Temperaturausgleich und damit eine von der Stärke des zu ; messenden Stromes / unabhängige Stromverteilung im

.. Flachleiler 1 gewährleistet ist und eine sehr hohe Meß- !·■ genauigkeit erzielt wird. Da sich sowohl der Hauptstrompfad 6 als auch der Hauptstrompfad 7 in entgegengesetzter Stromflußrichtung über die beiden Scheni; kel lö, 11 erstrecken, ergibt sich eine weitgehend induktionsfreie Anordnung, eine nur geringe Streufelderzeugung und damit auch ein nur sehr kleiner Phasenfehler.

In der F i g. 4 ist ein Flachleiter 20 dargestellt bei dem gleiche bzw. gleich wirkende Teile wie in der F i g. 1 mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet sind. Die Löcher 4 und 5, die Hauptstrompfade 6 und 7 sowie der Querzweigstrompfad 8 sind im Schenkel 10 angeordnet. Der Schenkel 11 weist ein Loch 21 auf, das diesen Schenkel in zwei weitere Hauptstrompfade 22, 23 unterteilt. Die Abmessungen des Loches 21 entsprechen der Umhüllenden der Löcher 4, 5, so daß nach dem Falten des Flachleiter"» 20 um die Biegekante 9 die Löcher 4,5 und der zwischen ihnen angeordnete Querzweigstrompfad 8 deckungsgleich über dem Loch 21 liegen. Ferner befindet sich nach dem Falten der Hsuptstrompfad ο dekkungsgleich über dem Hauptstrompfad 22 und der Hauptsirompfad 7 deckungsgleich über dem Hauptstrompfad 23, wobei die Ctromflußrichtung übereinanderliegender Hauptstrompfade 6, 22 bzw. 7, 23 entgegengesetzt ist. Das Loch 4 ist für den Schenkel 13 (F i g. 2) des Magnetkerns 14 und das Loch 5 für den Schenkel 15 des Magnetkerns bestimmt, während aas Loch 21 von beiden Schenkeln 13,15 durchsetzt wird, so daß wiederum der Teilstrom I\ im Querzweigstrompfad 8 für die primäre Durchflutung des Magnetkerns 14 maßgebend ist

Es ist leicht einzusehen, daß beim Flaehleiler 20 die gleichen vorteilhaften Wirkungen eintreten wie beim Flachleiter 1. Da beide Schenkel 13,15 des Magnetkerns 14 den Flachleiter 20 durchdringen, ergibt sich zudem eine weitestgchend symmetrische Anordnung und damit eine hohe Unempfindlichkeit gegen äußere Störfeldcinflüsse.

Der in der F i g. 5 dargestellte Flachleiler 24 unterscheidet sich vom Flachleiter 20 nur durch eine andere Form des Loches 21, da >n der F i g. 5 mit 2Γ bezeichnet und derart geformt ist, daß im Schenkel H eine durch einen schmalen Luftspalt 25 unterbrochene Leiterbahn 26 entsteht Nach dem Falten des Flachleiters 24 liegt die unterbrochene Leiterbahn 26 deckungsgleich unter dem Querzweigstrompfad 8 und fördert dessen optimalen Wärmekontakt mit den übrigen Teilen des Flachleiters 24.

Wird die Leiterbahn 26 nicht durch einen Luftspalt unterbrochen, so bildet sie einen zweiten Querzweigstrompfad, in dem ein zweiter, den Magnetkern 14 durchflutender Teilstrom fließt. Die F i g. 6 zeigt ein Beispiel für einen derartigen Flachleiter.

Der Flachleiter 27 gemäß der Fig.6 weist vier in dessen Längsrichtung hintereinanderliegende, kreisförmige Löcher 28 bis 31 auf. Die Löcher 28 und 29 unterteilen den Schenkel 10 in die beiden Hauptstrompfade 6, 7 und den Querzweigstrompfad 8; und die Löcher 30 und 31 unterteilen den Schenkel 11 in die beiden Hauptstrompfade 22,23 und einen zweite:·.-Querzweigstrompfad 32. Ein weiteres, kleineres Loch .t3 bzw. 34 im Schenkel 10 bzw. 11 bewirkt den erforderlichen Potentialunterschied zwischen den beiden Stellen der Hauptstrompfade 6, 7 bzw. 22, 23. die der Querzweigstrompfad 81 -w. 32 miteinander verbindet. Nach dem Falten des Flachleiters 27 liegen die Löcher 28, 29 deckungsgleich über den Löchern31,30. Im Querzweigstrompfad 32 fließt ein Teilstrom h, der dem zu messenden Strom / ebenfalls proportional ist. Durchdringt der eine Schenkel des Magnetkerns 14 die Löcherpaare 28,31 und der andere Schenkel die Löcherpaare 29,30, so ist die Summe /| + h der beiden Teilströme Λ und h für die primäre Durchflutung maßgebend.

Zur Winkelfehlei kompensation kann ein in der Zeichnung nicht dargestellter, elektrisch isolierter ferromagnetischer Bügel derart auf den gefalteten Flachleiter aufgesteckt werden, daß er zum Beispiel die Hauptstrompfade 6 und 22 an geeignet gewählten Punkten magnetisch miteinander verbindet. Durch Verschieben eines solchen Bügels läßt sich auf einfache Weise ein phasenfcinabglcich er/.ielen.

Die Form des gefalteten primären Flachleiters kann auch unmittelbar aus einem Gußteil oder Süangpreßteil herausgearbeitet sein. Dies ist insbesondere für die Herstellung von genauen Hochslrom-Wandlern mittels Werkzeugautomaten zweckmäßig.

Die F i g. 7 zeigt ein einfache Ausführungsbeispiel eines so hergestellten Flachleiters 35. Er ist aus einem elektrisch gut leitenden Metallquader gebildet, der durch einen Schlitz 36 in die zwei Leiterschenkel 10 und

so 11 geteilt ist und dessen Form und Wirkungsweise denen des gefalteten Flachleiters nach der Fig.6 entspriciit. Die beiden Schenkel 10 und 11 sind mittels der thermisch gut leitenden elektrischen Isolationsschicht 12 miteinander verbunden. Die beiden Schenkel 10 und 11 sind hier jedoch zum besseren Wärmeausgleich aucii zwischen den beiden Anschlüssen 2 und 3 spiegelsymmetrisch zur Uftikehrkante 9 übereinander liegend angeordnet. Der Anschluß erfolgt entweder durch Einstecken der Anschlüsse 2 und 3 in ein entsprechend

bO ausgebildetes Anschlußstück oder durch Anschrauben der Anschlußleiter 38,39 am besten mit nur einer Ver bindungsschraube 37, wodurch die beiden Anschlußleitcr 38 und 39 an r^e Anschlüsse 2 und 3 jeweils mit gleichem Anprcßdruck angepreßt sind. Die Sehraube 37

M ist durch entsprechende Isolationshülscn 40,41 von den stromführenden Teilen elektrisch isoliert.

Als Material für die im Schiit/ 36 einzubringende Isolationsschicht 12 eignet si'-h vorteilhaft ein beidseitig

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eloxiertes Aluminiumblech. Hierdurch wird ein besonders guter Wärmeübergang zwischen den Schenkeln 10 und 11 gewährleistet.

Die Funktion des Flachleiters 35 nach der F i g. 7 entspricht der des mechanisch gefalteten Flachlciters ge > maß der Fig.6. Bei dieser Anordnung des primären Flachleiters 35 umfassen die Detcktorwicklung 16 und die Sekundärwicklung 18 jeweils mit der halben Windungszahl die beiden Schenkel 13 und 15 des geschlossenen Magnetkernes 14. Die Wicklungen 16 und 18 bc- κι finden sich dabei in den übereinander ungeordneten Löcherpaaren 28,29 und 30,31 der Schenkel lOuncl 11.Für die Durchflutung des Magnetkernes 14 gelten hier die gleichen Zusammenhänge, wie sie oben für den gefalteten Flachlcitcr27nachdcr F i g. 6 genannt sind. r.

Die F i g. 8 zeigt ein weiteres Beispiel eines ims einem Guß- oder Preßteil herausgearbeiteten I lachleitcrs 42. bei dem die auf den Schenkein J3,15 des iviugiieikOf nes 14 jeweils zur Hälfte aufgebrachten Wicklungen 16 und 18 von den Schenkeln 10 und 11 umfaßt werden und für die Aufnahme der Wicklungen 16 und 18 eine Aussparung 43 parallel zur Umkehrkante 9 vorgesehen ist. Dies hat den Vorteil, daß das Magnetfeld zwischen den Schenkeln 10 und 11 an den Stellen des Durchtrittes des oder der Schenkel 13,15 des Magnetkernes 14 merklich herabgesetzt ist, wodurch eine örtliche Sättigung des Magnetkernes 14 weitgehend vermieden wird. Der Wärmeausgleich zwischen den Schenkeln 10 und 11 kann durch VergieOn der Aussparung 43 mit einer gut wärmeleitenden Isoliermassc wieder vervollständigt jo werden. Gegenüber dem Beispiel nach der F i g. 7 sind hier die Löcher 28 bis 31 für die Aufnahme des Magnetkernes 14 rechteckig ausgeführt. Zusätzlich sind bei dieser Anordnung Leiterverengungen 44 und 45 in den beiden Schenkeln 10 und 11 vorgesehen, um die Vertei- r> !uric des zu messender« Stromes / itn F:äch!cite^r ^2 von Veränderungen der Übergangswiderstände der Anschlußleiter zu den Anschlüssen 2, 3 und damit von unterschiedlichen Stromverteilungen und unterschiedlichen Temperaturen zwischen den Anschlüssen 2 und 3 unabhängig zu machen.

Weiter ist zum Phasenwinkelabgleich eine ferromagnetische Schraube 48 vorgesehen, die durch mehr oder weniger tiefes Einbringen in eine Bohrung 46 zwischen den Schenkeln 10 und 11 bzw. in eine Bohrung 47 in einem der Schenkel des FLchltiters 42 die induktive Komponente des Widerstandes einer der Leiterbahnen, die Schenkel des Magnetkernes 14 passieren, so beeinflußt, daß zwischen der den Magnetkern 14 durchsetzenden Gesamtdurchflutung und dem zu messender, so Strom /praktisch kein Phasenunterschied besteht.

Bei den beschriebenen Meßwandlern können a'lenfalls die magnetischen Vernähnisse noch günstiger sein, wenn die Detektorwicklung 16 und die Sekundärwicklung 18 nicht auf den Schenkein 13 und 15, sondern je zur Hälfte oben und unten auf dem Querzweig des Magnetkerns 14 angeordnet sind.

Die Detektorwicklung 16 kann entfallen wenn an ihrer Stelle ein Magnetfeldsensor, der z. B. das Magnetfeld in einem Luftspalt des Magnetkerns 14 erfaßt, an ω den Eingang des Verstärkers 17 angeschlossen wird.

Der beschriebene Meßwandler kann auch als sogenannter /eitverschlüsselter Wandler gemäß der Lehre der CHi¹S fe !S 043 betrieben werden. Dabei entfallen die Teile 16 bis 39, der primären Durchflutung des Ma- ω gnetkerns 14 wird mittels einer Vormagneiisierungswicklung eine alternierende Referenzdurchflutung überlagert und mit Hilfe eines in einem Luftspalt des Magnetkerns 14 angeordneten Magnetfeldscnsors werden die Zeitpunkte der Nulldurchgänge des resultierenden Magnetfeldes erfaßt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

34 Ol 594 Patentansprüche:

1. Meßwandler zum Messen eines Stromes, mit einem Flachleiter, der mindestens zwei Hauptstrompfade für den zu messenden Strom und mindestens einen zwei Stellen unterschiedlichen Potentials zweier Hauptstrompfade miteinander verbindenden Querzweigstrompfad aufweist, und mit einem vom Querzweigstrompfad durchdrungenen Magnetkern, wobei der Qucrzweigstrompfad einen den Magnetkern durchflutenden, vom Potentialunterschied der beiden Stellen abhängigen Tcilslrom des zu messenden Stromes führt, dadurch gekennzeichnet, daß der Flachlcitcr (1; 20; 24; 27; 35; 42) um eine in seiner Querrichtung verlaufende Umkehrbzw. Biegekante (9) derart umgelegt ist, daß jeder Hauptstrompfad (6, 7) bzw. Teil eines Hauptstrompfades (6,7$ des einen Schenkels (10) des Flachleiters (1; 20; 24; 27; 35; 42) mindestens annähernd dekkungsgleich über einem Hauptstrompfad (22, 23) bzw. Teil eines Hauptstrompfades (6,7) des anderen Schenkels (11) liegt, und daß die beiden Schenkel (10; 11) des Rachleiters (1; 20; 24; 27; 35; 42) elektrisch voneinander isoliert sind, aber thermisch miteinander in engem Kontakt stehen.

2. Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flachleiter (1) die Umkehr- bzw. Biegekante (9) entlang der Längssymmctrielinie des Querzweigstrompfades (8) aufweist.

3. Meßwandler nach Anspr- Λ 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die.-wischen den beiden Schenkeln (10, U) liegende isolieren c Schicht (12) aus beidseitig eloxiertem Aluminium besteht.

4. Meßwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schenkel (10) des Flachleitcrs (20; 24; 27; 35; 42) mindestens einen Querzweigsirompfad (8) aufweist.

5. Meßwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Schenkel (11) des Flachleiters (24) eine durch einen Luftspalt (25) unterbrochene Leiterbahn (26) aufweist, die deckungsgleich unter dem Querzweigstrompfad (8) liegt.

6. Meßwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auch der zweite Schenkel (11) des Flachleiters (27; 35; 42) einen Querzweigstrompfad (32) aufweist, der deckungsgleich unter dem Querzweigstrompfad (8) des ersten Schenkels (10) liegt.

7. Meßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Flachleitcr (35; 42) aus einem Gußteil oder Preßteil besteht.

8. Meßwandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Flachleiter (42) eine Aussparung (43) parallel zur Umkehrkante (9) zur Aufnahme mindestens einer elektrischen Wicklung (16; 18) vorgesehen ist.

9. Verwendung eines Meßwandlers nach einem der vorangehenden Ansprüche als zcitverschlüsselter Wandler.